Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie

Der Aufstieg von Elektrofahrzeugen

Als Tesla (TSLA ) 2003 gegründet wurde, galten Elektroautos häufig als Nischenprodukt. Viele Modelle hatten eine geringe Reichweite und bescheidene Fahrleistungen. Allerdings gab es auch schon vor Tesla alltagstaugliche Elektroautos.

Der Tesla Roadster der ^ersten Generation (ein Nachfolger befindet sich in Entwicklung) trug mit den Fahrleistungen eines Luxussportwagens dazu bei, dieses Bild zu verändern.

Entscheidend waren Fortschritte in der Batterietechnologie. Zunächst wurden Lithium-Ionen-Zellen genutzt, die für tragbare Elektronik entwickelt worden waren. Später kamen stärker auf Fahrzeuge und höhere Reichweiten zugeschnittene Systeme hinzu.

Laut IEA wurden 2022 weltweit mehr als zehn Millionen Elektroautos verkauft, entsprechend 14 Prozent der Neuwagenverkäufe. Die Zahl umfasst reine Batterieautos und Plug-in-Hybride. China und Europa führten den Markt an.

Weltweite Elektroautoverkäufe – Quelle: IEA

Trotz des Wachstums bestanden 2023 Fragen zum Tempo des Umstiegs. Hohe Inflation, Finanzierungskosten und die notwendige Ansprache breiterer Käuferschichten setzten manche Pläne unter Druck. Dies trug zu Verschiebungen oder Änderungen der Elektroautopläne von Herstellern wie GM, Ford und Honda bei.

Die aktuellen Einschränkungen

Frühe Käufer schätzten die neue Technik und die Möglichkeit, Emissionen zu senken. Andere Autofahrer zögerten aus verschiedenen Gründen:

• Preis: Die meisten Elektrofahrzeuge kosten immer noch mehr als ihre Pendants mit Verbrennungsmotor. Steigende Zinsen können Elektrofahrzeuge für viele Menschen zu teuer machen.
• Reichweitenangst: Eine Möglichkeit, den Preis eines Elektrofahrzeugs zu senken, besteht darin, die kleinere Batteriekapazität zu wählen. Aber dann kann die geringere Reichweite lange Fahrten erschweren, und die Ladezeit kann ebenfalls lang sein.
• Kälteempfindlichkeit: Kälte verringert vorübergehend die verfügbare Energie und kann das Laden verlangsamen. Vorheizen und ein Stromanschluss während des Parkens können helfen. Ein Elektroauto muss aber nicht grundsätzlich die ganze Winternacht laden, nur weil es draußen steht.
• Ladeinfrastruktur: Menschen, die in Wohnungen leben, könnten Schwierigkeiten haben, ihre Elektrofahrzeuge aufzuladen, wenn nicht genügend öffentliche Ladestationen verfügbar sind. Lange Warteschlangen, langsames Laden oder keine nahegelegenen Stationen können zu einer schlechten Erfahrung führen.
• Batteriesicherheit & Haltbarkeit: Lithium-Ionen-Batterien speichern viel Energie. Viele übliche flüssige Elektrolyte sind brennbar; Schäden oder Überhitzung können deshalb Brände verursachen. Das Risiko hängt auch von Zellchemie, Kühlung und Schutzsystemen ab. Auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor können brennen.
• Stromnetz: Obwohl dies für EV‑Käufer nicht wirklich ein Problem darstellt, kann es für den Sektor insgesamt ein Problem werden. Stromnetze sind bereits teilweise überlastet und könnten Schwierigkeiten haben, Millionen von Fahrzeugen, die aufgeladen werden müssen, zu bewältigen. Die Herkunft des Stroms ist ebenfalls ein Problem, da ein großer Teil aus fossilen Brennstoffen, einschließlich Kohle, stammt.

Bessere Batterien können Ladezeit, Reichweite, Sicherheit, Kälteeigenschaften und Kosten verbessern. Fahrzeugkonstruktion, Ladeinfrastruktur und Stromnetze bleiben ebenfalls wichtig.

Forscher und Branchenführer arbeiten intensiv daran, diese Mängel zu beheben, entweder durch Verbesserung des bestehenden Designs oder durch Erfindung völlig neuer Batteriebauweisen.

Eine höhere Energiedichte kann Gewicht und Platz sparen. Sie macht eine Batterie nicht automatisch günstiger, sicherer, langlebiger oder schneller aufladbar. Dafür sind auch Materialien und Konstruktion entscheidend.

Verbesserung von Lithiumbatterien

Der erste Schritt besteht darin, die bestehenden Batterien zu verbessern und das umfangreiche Wissen sowie die Erfahrung mit dieser Technologie zu nutzen. Einige Forscher sehen die aktuelle Batteriegeneration noch bis 2030 schrittweise verbesserungsfähig: „Perspektiven für Lithium‑Ion‑Batterien und darüber hinaus – eine Vision für 2030“.

Ein Forschungsbereich ist die Kathode. Manche Lithium-Ionen-Chemien verwenden Nickel und Kobalt, andere beispielsweise Eisenphosphat. Ein besseres Verständnis der Kristallstruktur und der Alterung kann die Leistung verbessern.

Graphitanoden können teilweise durch Silizium oder Siliziumoxid ersetzt werden. Silizium besitzt eine deutlich höhere theoretische spezifische Speicherkapazität. Das bedeutet aber nicht, dass die gesamte Batterie fünf- bis zehnmal mehr Energie speichert. Ausdehnung und Alterung sind Herausforderungen. Graphit-Silizium-Mischungen werden bereits eingesetzt.

Die Veränderung der Elektrolyte, die Anode und Kathode verbinden, könnte ebenfalls helfen. Neue Arten von flüssigen Lösungsmitteln, stärker konzentrierte Elektrolyte oder vielleicht sogar gelartige Elektrolyte könnten das Sicherheitsprofil verbessern und die Batteriedichte erhöhen.

Schließlich ist ein besseres Design eine Option, um die Beziehung zwischen Batterien und Elektrofahrzeugen zu optimieren. Viele EV‑Hersteller beginnen, sogenannte Strukturbatterien einzusetzen, die Energie speichern und zugleich tragende Aufgaben im Fahrzeug übernehmen. Das kann Bauteile und Gewicht einsparen. Rolls-Royce, Tesla und Volvo untersuchten unterschiedliche Ansätze. Die erwähnte Reichweitensteigerung von 16 Prozent war ein Konstruktionsziel, kein allgemeiner Wert für jedes Fahrzeug.

Festkörperbatterien

Nach langjähriger Forschung werden Festkörperbatterien oft als der Heilige Gral der Batterietechnologie bezeichnet.

Festkörperbatterien ersetzen den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Ionenleiter. Sie entfernen den Elektrolyten also nicht vollständig. Manche Entwürfe können die Energiedichte erhöhen und brennbare Flüssigkeiten verringern. Auch Fertigungsschritte können sich ändern. Die zitierte Analyse erörterte eine mögliche Zeitersparnis von bis zu drei Wochen in der Produktion, abhängig vom Verfahren.

Einige Entwickler streben Ladezeiten von drei bis fünf Minuten an. Das ist ein Entwicklungsziel, keine automatische Eigenschaft sämtlicher Festkörperbatterien.

Verschiedene Unternehmen entwickelten Festkörperbatterien und nannten unterschiedliche Ziele zwischen 2026 und 2029. Dazu zählten QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) und Samsung SDI (006400.KS). Diese Termine waren Pläne, keine garantierten Markteinführungen. Tesla (TSLA) arbeitet an einem anderen Entwicklungsansatz: zylindrischen 4680-Zellen mit Lithium-Ionen-Technik. Die Bezeichnung beschreibt ein Zellformat, keine Festkörperchemie.

Probleme von Festkörperbatterien

Laborprototypen in eine günstige und zuverlässige Massenproduktion zu überführen ist schwierig. Qualität, Automatisierung und Kosten müssen gleichzeitig die Anforderungen erfüllen. Der 2023 genannte Zeitraum 2026–2028 war eine Prognose, kein feststehendes Ergebnis.

Quelle: Vertex Holdings

Einige Entwürfe mit Lithiummetallanode können mehr Lithium je Zelle benötigen. Das gilt nicht pauschal für alle Entwürfe oder je gespeicherter Kilowattstunde. Die Lithiumpreise stiegen bis 2022 stark, doch künftige Preise hängen auch von Angebot und Nachfrage ab. Recycling bleibt bei neuen Konstruktionen eine Herausforderung.

„Kondensierte“ Batterien

Hohe Energiedichten müssen nicht ausschließlich mit vollständig festen Elektrolyten erreicht werden.CATL kündigte eine Batterie mit kondensiertem Elektrolyten an, die nach Angaben des Unternehmens vom April 2023 bis zu 500 Wh/kg erreichen sollte. CATL stellte eine schnelle Produktionsausweitung in Aussicht und entwickelte Anwendungen für Flugzeuge und Autos. Dies waren Leistungsangaben und Pläne des Unternehmens.

Die angekündigte Energiedichte auf Zellebene war für Elektroflugzeuge interessant. Ein einsatzfähiges Flugzeug benötigt darüber hinaus ausreichende Leistung, Lebensdauer, Sicherheit, Zertifizierung und ein geeignetes Batteriepaket.

Alternative Batteriechemien

Neben üblichen nickelreichen Lithium-Ionen-Batterien gibt es weitere Chemien. LFP gehört selbst zur Lithium-Ionen-Technik. Für Fahrzeuge müssen Gewicht, Energiedichte, Sicherheit und Kosten zusammenpassen.

Langfristig könnten einige dieser alternativen Batterien sogar die teureren Lithiumbatterien ersetzen, zumindest im preisempfindlichen Massenautomarkt.

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP)

LFP besitzt häufig eine geringere Energiedichte als nickelreiche Lithium-Ionen-Chemien. Als Unterschied werden teilweise 30–40 Prozent genannt, abhängig von den verglichenen Zellen und Paketen. Verbesserte Zellen und effizientere Pakete haben LFP für günstige Fahrzeuge attraktiv gemacht.

LFP benötigt weder Nickel noch Kobalt. Eisen und Phosphat sind reichlich vorhanden und vergleichsweise günstig. Eine lange Lebensdauer kann außerdem die Gesamtkosten während der Nutzung senken.

CATL (300750.SZ) und BYD (BYDDF) zählen zu den großen LFP-Herstellern. CATL entwickelt auch andere Chemien, um seine Marktposition zu stärken.

Im August 2023 stellte CATL Shenxing vor, eine LFP-Batterie, die laut Unternehmen über 700 Kilometer Reichweite und in zehn Minuten Ladung für weitere 400 Kilometer bieten konnte. Die Ergebnisse hängen von Fahrzeug, Prüfbedingungen und Ladeumgebung ab.

Natrium‑Ion

Lithium ist ein wichtiger Rohstoff für Lithium-Ionen-Batterien. Natrium ist wesentlich reichlicher verfügbar und kann die Abhängigkeit von manchen teureren Materialien verringern.

Ein Bericht vom November 2022 prognostizierte, dass BYD Natrium-Ionen-Batterien in günstigen Modellen wie Dolphin und Seagull einsetzen würde. Das war eine Prognose: Die eingeführten Modelle verwendeten LFP-Blade-Batterien. Der damals genannte Seagull-Preis um 10.000 Dollar bezog sich auf China.

CATL hatte bereits 2021 Natrium-Ionen-Zellen mit 160 Wh/kg vorgestellt. Im November 2023 meldete Northvolt eine zunächst für stationäre Energiespeicher vorgesehene Natrium-Ionen-Zelle mit einer validierten Energiedichte von über 160 Wh/kg.

Natrium-Ionen-Technik kann dank gut verfügbarer Rohstoffe günstiger werden. Ein möglicher Preis von einem Drittel bestimmter nickelhaltiger Batterien war eine Prognose, kein allgemein belegter Marktpreis. Energiedichte und Einsatzmöglichkeiten hängen von der Konstruktion ab.

Weitere Batteriechemien

Weitere Chemien könnten langfristig Wettbewerber im Mobilitätsbereich werden. Viele befanden sich jedoch noch im frühen Forschungsstadium, sodass ein kurzfristiger Einsatz in Elektroautos unsicher war.

Glasbatterien

Eine faszinierende Idee mit weit verbreiteten Materialien, deren Ergebnisse bisher nur schwer unabhängig bestätigt werden konnten. An der Forschung beteiligt war John B. Goodenough, einer der Wegbereiter der Lithium-Ionen-Batterie. Er starb am 25. Juni 2023. Die praktische Leistungsfähigkeit des Konzepts muss durch reproduzierbare Versuche beurteilt werden.

Graphenbatterien

Graphen, eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, ist extrem leitfähig. Das Unternehmen Graphene Manufacturing Group (GMG.V) erforscht Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien. Vergleiche mit bis zu siebzigmal schnellerem Laden und dreifacher Lebensdauer stammten aus frühen Versuchen, nicht aus belegten Leistungen eines kommerziellen Fahrzeugpakets. Das Unternehmen schloss im Mai 2023 einen Entwicklungsvertrag mit dem Bergbaukonzern Rio Tinto (RIO ) für ein Versuchspaket. Eine Großserienproduktion um 2025 war damals ein Plan.

Magnesium-Ionen-Batterien

Eine Studie von 2023 beschrieb eine Magnesium-Ionen-Batterie mit quasi-festem Elektrolyten. Bei −22 °C behielt sie nach neunhundert Zyklen 90 Prozent ihrer Kapazität. Die Technik befand sich noch im Forschungsstadium.

Lithium‑Schwefel‑Batterien

Diese Batterien nutzen Lithium und Schwefel und benötigen keine teuren Nickel- oder Kobaltkathoden. Die mögliche Energiedichte ist hoch, doch Lebensdauer und Kapazitätsverlust bleiben wichtige Herausforderungen.

Quelle: Vertex Holdings

Natrium‑Schwefel‑Batterien

Herkömmliche Natrium-Schwefel-Batterien arbeiten bei hohen Temperaturen um 300 °C. Die Forschung an neuen Elektrolyten, die die Auflösung von Schwefel begrenzen, könnte niedrigere Betriebstemperaturen ermöglichen. Dies ist ein möglicher Weg zu günstigen Speichern mit guter Leistung.

Aluminium-Ionen-Batterien

Aluminium-Ionen-Batterien können eine Aluminiumanode verwenden. Forscher untersuchten außerdem ein organisches Redoxpolymer als Ersatz für Graphit in der positiven Elektrode und erreichten eine höhere spezifische Speicherkapazität.

Aluminium‑Luft

Aluminium-Luft-Zellen erzeugen Strom durch die Reaktion von Aluminium mit Sauerstoff; das Aluminium wird dabei verbraucht. Die zitierten Konzepte versprachen rund 1.600 Kilometer Reichweite und eine spezifische Energie von 1.350 Wh/kg. Letzteres ist Energie je Masse, keine Leistung in W/kg. Es handelt sich nicht um garantierte Werte eines vollständigen Fahrzeugs. Auch Anwendungen in Elektroflugzeugen wurden vorgeschlagen.

Nach Angaben der Entwickler ließe sich das Aluminium in einem entsprechend ausgelegten System in rund neunzig Sekunden austauschen. Das Reaktionsprodukt muss anschließend industriell zu neuem Aluminium verarbeitet werden, was Energie benötigt. Ein Zusatzmodul für ältere Elektroautos war ebenfalls eine vorgeschlagene Anwendung.

Die Entwicklung steht vor technischen, wirtschaftlichen und infrastrukturellen Herausforderungen, darunter Herstellung und Rückgewinnung von Aluminium. Förderprogramme können eine Rolle spielen, doch fehlende öffentliche Unterstützung lässt sich nicht ohne Belege als einzige oder wichtigste Hürde darstellen.